1.2 CPU和內存

計算機的核心是中央處理器（CPU）。在個人計算機中，CPU是由微小的硅芯片制成的微處理器。該芯片上刻有數百萬個晶體管。晶體管是一種微型數字開關：它控制信號的兩種狀態，“開”或“關”，即“1”或“0”。微處理器由小于1平方英寸的陶瓷外殼保護，安裝在印制電路板（也稱為主板）上。主板上還有內存芯片，以及用于連接其他設備的端口（見圖1-1）。

圖1-1 樹莓派3B型單板計算機，放在3.5平方英寸×2.25平方英寸的印制電路板上

計算機存儲器是一系列統一的存儲單元，這些單元稱為“字節”。

1字節保存8位信息。

1位是最小的信息存儲單元：“1”或“0”，“真”或“假”，“開”或“關”。

CPU可以按任意順序訪問內存中的字節。這就是計算機內存被稱為“隨機存取存儲器（RAM）”的原因。同樣的內存用于存儲不同類型的信息：數字、字母、聲音、圖像、程序等。這些信息，必須以某種方式編碼為0和1的序列。

2019年生產的典型個人計算機具有8GB（千兆字節）的RAM。

1 K字節（KB）= 1024字節 = 210字節，大約一千字節。
1 M字節（MB，“兆”）= 1024 K字節 = 220字節= 1,048,576字節，大約一百萬字節。
1 G字節（GB，“吉”）= 1024 M字節 = 230字節 = 1,073,741,824字節，大約10億字節。
1 T字節（TB）= 1024 G字節 = 240字節。
1 P字節（PB）= 1024 T字節 = 250字節。

一頁有500～600個單詞的文本，沒有圖片或特殊格式，大約需要3KB的存儲空間；一張高分辨率照片可能需要2～3MB的存儲空間，而1GB存儲空間可以壓縮的MP4格式保存數小時的視頻。

CPU解釋并執行存儲在RAM中的指令。CPU獲取下一條指令，解釋它的操作代碼，并執行適當的操作。有些指令用于算術和邏輯運算，有些用于將字節從一個位置復制到另一個位置，還有一些用于改變指令的執行順序。除非特定指令告訴CPU“跳轉”到程序中的另一個位置，否則指令將按順序執行。“條件分支”指令告訴CPU繼續下一條指令或跳轉到另一個位置，具體情況取決于前一操作的結果。

以上這些操作都以驚人的速度發生。現代CPU以幾GHz的速度運行，每條指令需要一個或幾個時鐘周期。

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為了更好地了解CPU指令及其執行方式，讓我們來看看“匯編語言”，這是一種低級計算機語言。它是你所聽過的現代語言的基礎，如C++、Java、JavaScript和Python。

圖1-2展示了一個非常短的匯編語言程序，用于8088微處理器（在20世紀80年代早期用于最初的IBM PC），其中包含相應指令的十六進制代碼（十六進制系統在第6章中解釋）和我們的注釋。匯編語言代碼非常接近實際的機器代碼，但它允許你使用名稱而不是數字，來表示指令和內存位置。

CPU有幾個內置存儲器單元，稱為寄存器。圖1-2中的代碼使用的兩個寄存器，稱為AX和BX。例如，第一條代碼（MOV BX, 0000）將0移入BX寄存器。

圖1-2 一段8088匯編語言代碼

我們將它留給你作為練習（練習題6），請弄清楚這段代碼計算的內容。結果存儲在BX寄存器中。

計算機代碼中的錯誤稱為“缺陷（bug）”，消除程序錯誤的過程稱為“調試（debug）”。

圖1-2中的代碼是在一個名為debug的程序的幫助下生成的，該程序隨MS-DOS操作系統和早期版本的Windows一起提供。調試程序允許程序員以受控方式逐步執行程序，并在每一步檢查內存的內容。在程序未按預期工作時，使用調試程序可以幫助發現錯誤。

第1.2節練習

1．找到一臺廢棄的臺式計算機，確保已拔下電源線，然后取下機箱蓋（或在網上查找打開機箱的臺式PC的高分辨率圖片）。識別主板、CPU和內存芯片，識別計算機的其他組件：電源、硬盤、CD ROM驅動器。

2．計算機內存稱為RAM，因為： ?

（A）它提供對數據的快速訪問

（B）它安裝在主板上

（C）它以兆字節為單位

（D）它的字節可以按隨機順序尋址

（E）它的芯片安裝在矩形陣列中

3．我的舊PC有512MB的RAM和120GB的硬盤，硬盤存儲空間是RAM的多少倍？?

4．可以用2位編碼多少個不同的值？3位呢？1字節呢？

5．ASCII碼表示在典型的美式鍵盤上可以找到的英文字母、數字和其他字符的大寫和小寫字母。每個字符以相同的位數編碼。每個字符1字節是否足以表示所有這些字符？每個字符所需的最小位數是多少？ ?

6．◆在執行圖1-2中的程序段后，解釋AX和BX寄存器的內容。這段代碼計算了什么？ ?提示：十六進制的15是十進制的21。? ?